Dlaczego się

1. Dział fizyki: Właściwości i budowa materii Dlaczegosię rozciąga i kurczy? autorzy: Igor Dąbrowski Michał Muszyński 312/G/NYS/OPO_ZES_NR_2 Gimnazjum nr 3 im. Żołnierzy Armii Krajowej w Nysie ul. T. Kościuszki 10 48-300 Nysa

2. Cel doświadczeń: Celem doświadczeń jest pokazanie jak zmieniają się: własności metalu oraz gumy na skutek działania podwyższonej temperatury. Prezentacja zjawiska rozszerzalności cieplnej metali, warunki występowania zjawiska i zastosowanie wiedzy o nim w praktyce. • W doświadczeniu nr 1 - zmiany temperatury przełożone są na wydłużenie pręta i rejestrowane za pomocą papierowego wskaźnika. • W doświadczeniu nr 2 - Termoczuła waga obrazowo przedstawia zjawisko liniowej rozszerzalności metalu. • W doświadczeniu nr 3 - Silnik cieplny pokazuje zamianę energii cieplnej na mechaniczną w ciekawy sposób wykorzystując działanie temperatury na gumę.

3. Doświadczenie 1: Rozciągnięty metal

4. Doświadczenie 1: Rozciągnięty metal Potrzebne materiały: • prosty drut aluminiowy/ miedziany (np. drut do dziergania), • dwie butelki np. po winie (wypitym przez osobę dorosłą:-), • korek, • dwie igły, • świeczka lub laboratoryjny palnik spirytusowy, • niewielki kawałek kartonu, • nożyczki

5. Doświadczenie 1: Rozciągnięty metal Opis czynności: • Dwie butelki ustawiamy obok siebie, jedna z nich jest zamknięta korkiem od wina. • Drut wbijamy ostrym końcem z boku w korek od butelki, a drugi koniec kładziemy na otworze drugiej butelki. • Nabijamy na igłę do szycia papierową strzałkę i wsuwamy ją między szyjkę drugiej butelki i drut. Ogrzewamy drut pośrodku używając świeczki (palnika).

6. Doświadczenie 1: Rozciągnięty metal Obserwacje: Po zapaleniu świeczki i ogrzaniu drutu strzałka zacznie poruszać się w prawo. Wyjaśnienie zjawiska: W wyniku podgrzania, drut uległ wydłużeniu na skutek zjawiska liniowej rozszerzalności cieplnej metalu (atomy zaczynają się szybciej poruszać, rosną odległości między nimi). Wydłużający się drut na skutek tarcia powoduje obrót ułożonej poprzecznie pod nim igły z umocowaną papierową strzałką. Strzałka sygnalizuje wydłużenie drutu na skutek wzrostu temperatury. Gdy drut stygnie strzałka wraca do położenia początkowego. Gdyby zamiast drutu aluminiowego użyć stalowego tej samej długości, wychylenie strzałki byłoby mniejsze, ponieważ stal ma mniejszy współczynnik rozszerzalności liniowej niż aluminium.

7. Doświadczenie 2: Termoczuła waga

8. Doświadczenie 2: Termoczuła waga Potrzebne materiały: • ok. 20 cm prostego miedzianego lub aluminiowego drutu • dwa spinacze biurowe (lub coś zastępczego, np. dwa jednakowe klipsy – u nas: „serduszka”), • „zębaty” nóż kuchenny • dwie książki (lub ciężarki) do ustawienia noża ostrzem skierowanego do góry, • świeczka lub palnik spirytusowy

9. Doświadczenie 2: Termoczuła waga Opis czynności: • W środku drutu wykonujemy nożem niewielkie nacięcie. • Na obu końcach drutu przypinamy po jednym spinaczu biurowym. • Kładziemy na brzegu stołu nóż ustawiony ostrzem w górę, tak by ostrze wystawało poza stół (podpieramy nóż z obu stron książkami lub ciężarkami). • Umieszczamy drut na ostrzu noża wykorzystując uprzednio wykonane nacięcie. • Doprowadzamy tak wykonaną wagę do stanu równowagi (położenie poziome) odpowiednio przesuwając umieszczone na końcach drutu spinacze. • Ogrzewamy drut (wagę) z jednej strony świeczką (palnikiem).

10. Doświadczenie 2: Termoczuła waga Obserwacje: Gdy podgrzejemy jedno z ramion wagi (w połowie długości) to równowaga układu zostanie zachwiana i waga przechyli się w stronę podgrzanego ramienia.

11. Doświadczenie 2: Termoczuła waga Wyjaśnienie zjawiska: Dzieje się tak dlatego. że podgrzewane ramię, na skutek zjawiska rozszerzalności cieplnej, wydłużyło się i nastąpiło przesunięcie środka ciężkości. Obserwujemy zjawisko termicznej rozszerzalności liniowej. Przyjmuje się, że zmiana długości jest proporcjonalna do zmiany temperatury, co wyraża wzór na rozszerzalność liniową: x = x0(1+αΔT) gdzie: •x – długość przedmiotu po zmianie temperatury, •x0 – długość początkowa, •α – współczynnik rozszerzalności liniowej (zależny od rodzaju materiału) - podaje on o jaką część długości początkowej zwiększa się długość ciała stałego gdy temperatura wzrasta o 1°C. •ΔT - przyrost temperatury. UWAGA: Jest to tylko prawo przybliżone, stosunkowo dokładne tylko w wąskim zakresie temperatur. Wzór na liniową rozszerzalność cieplną jest prawdziwy jedynie dla izotropowych ciał polikrystalicznych, ponieważ zawiera średni (co do kierunku) współczynnik rozszerzalności.

12. Doświadczenie 3: Silnik cieplny

13. Doświadczenie 3: Silnik cieplny Potrzebne materiały: • gumki recepturki (dwie paczki) • sztywna metalowa obręcz (o średnicy ok. 20 -30 cm) • patyk do szaszłyków lub metalowy pręt • dwie żarówki (75 lub 100 W) • oprawy elektryczne do żarówek • kabel zasilający dwie blaszki z otworami (np. wieszaczki do półek) • kawałek deski (sklejka) • narzędzia do obróbki drewna, • dwa wkręty

14. Doświadczenie 3: Silnik cieplny Opis czynności: • Na sztywną metalową obręcz nakładamy gumki recepturki. • W miejscu gdzie się krzyżują wbijamy patyk do szaszłyków tak, by przechodził przez środek ciężkości koła i aby był sztywno umiejscowiony („trzymany” przez gumki). • Na końcach patyka montujemy igły (dla zmniejszenia oporów ruchu podczas obrotu koła). • Z deseczek robimy stelaż (podstawa drewniana i przymocowane do niej w odpowiedniej odległości dwie pionowe deseczki. • Umieszczamy koło na stelażu, tak by miało możliwość obrotu. Po obu stronach koła montujemy dwa gniazdka z żarówkami i kablem z wyłącznikiem.

15. Doświadczenie 3: Silnik cieplny Obserwacje: Po zapaleniu żarówek gumki ulegają skurczeniu i koło zaczyna się obracać.

16. Doświadczenie 3: Silnik cieplny Wyjaśnienie zjawiska: Elastomery (guma) po ogrzaniu kurczą się. Dla gumy nie zachodzi zjawisko termicznej rozszerzalności liniowej jak przy metalach. Dużą wydłużalność przy rozciąganiu i inne cechy elastyczne gumy i kauczuki (tzw. elastomery), zawdzięczają konfiguracji makrocząsteczek, które w materiale nie poddanym działaniu naprężeń mechanicznych są zwinięte w spirale bądź tworzą zygzak. Pod działaniem między innymi wysokiej temperatury następuje usieciowanie makrocząsteczek elastomeru i twardnienie. Następuje proces wulkanizacji. W naszym doświadczeniu gumki koła silnika są ogrzewane za pomocą żarówek umieszczonych z boku. Powoduje to ich skurczenie. Następuje przesunięcie środka ciężkości koła. Koło, znajdujące się dotychczas w równowadze, zaczyna się obracać „do góry”. Następuje zamiana energii cieplnej w mechaniczną. Powstaje silnik cieplny. Silnik cieplny to urządzenie wytwarzające energię mechaniczną oraz elektryczną z energii cieplnej. Czynnikiem pracującym w silniku cieplnym najczęściej jest ciecz. W zależności od tego, jaki jest rodzaj czynnika pracującego, można rozróżnić silniki spalinowe i parowe. Różne są także sposoby przekształcania energii cieplnej na mechaniczną: tłokowe, turbinowe oraz odrzutowe.

17. Doświadczenie 3: Silnik cieplny • Praktyczne zastosowanie prezentowanego zjawiska: • Precyzyjne urządzenia pomiarowe powinny umieszczane w pomieszczeniach o stabilizowanej temperaturze ponieważ wahnięcia temperatury mogą zmienić odczyt. Nawet nieznaczna zmiana, w dokładnych urządzeniach ma istotne znaczenie. • Zjawisko rozszerzalności cieplnej metali wykorzystywane jest w przyrządach: termometrach, czujnikach bimetalowych. • Zjawisko rozszerzalności cieplej należy uwzględnić w pracach inżynierskich, gdyż elementy konstrukcyjne mają inne rozmiary latem i zimą (przerwy dylatacyjne w konstrukcji mostów, między szynami szyn kolejowych; zawieszane luźno napowietrzne przewody telefoniczne, energetyczne, na wypadek kurczenia się w zimie; linie ciepłownicze doprowadzające wodę posiadają specjalnie kolana, aby uniknąć wyginania lub pękania na skutek sezonowych zmian rozmiarów ; aluminium ma duży współczynnik rozszerzalności cieplnej, co może powodować odkształcenia ram okna, jeżeli źle się je zamontuje (należy zostawić wolne miejsce w ramie okna aby szyby mogły się swobodnie zwiększać swoje rozmiary) • Silniki cieplne – zastosowanie jako napęd. Odmiany: silnik spalinowy, odrzutowy, rakietowy, parowy itp.